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“培育鉆石”的原材料金剛石（Diamond）的作用遠(yuǎn)不止裝飾與消費(fèi)，它不僅在加工石材、有色金屬、復(fù)合材料等方面有著不可替代的作用，還被行業(yè)冠以終極半導(dǎo)體材料的稱號(hào)。
早在二十年前，科學(xué)界就曾掀起研究金剛石半導(dǎo)體的熱潮，但時(shí)至今日，我們也未用上金剛石半導(dǎo)體所制造的器件，以致有工程師感嘆，金剛石永遠(yuǎn)處在半導(dǎo)體實(shí)用化的邊緣。究竟有哪些難題阻礙了它發(fā)展，它會(huì)如何變革半導(dǎo)體行業(yè)？
不是每種金剛石都能造芯**
金剛石生長(zhǎng)主要分為HTHP法（高溫高壓法）和CVD法（化學(xué)氣相沉積法），二者生長(zhǎng)方法側(cè)重在不同應(yīng)用，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，二者會(huì)呈現(xiàn)出互補(bǔ)的關(guān)系。
對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，CVD法是金剛石薄膜的主要制備方法，而HPHT金剛石單晶也會(huì)在CVD合成法中充當(dāng)襯底主要來(lái)源。
金剛石兩種主要生長(zhǎng)方法對(duì)比，制表丨果殼硬科技
參考資料丨《人工晶體學(xué)報(bào)》，力量鉆石招股書(shū)
其中，CVD法還細(xì)分為HFCVD、DC-PACVD、MPCVD及DC Arc Plasma Jet CVD四種生長(zhǎng)方法。由于MPCVD法采用無(wú)極放電，等離子體純凈，是目前適合高質(zhì)量金剛石生長(zhǎng)的方法，同樣也適用于高質(zhì)量金剛石外延及摻雜研究。
CVD的四種主要方法及應(yīng)用，制表丨果殼硬科技
參考資料丨《人工晶體學(xué)報(bào)》
實(shí)際上，培育鉆石也會(huì)用到HTHP法和CVD法，但做半導(dǎo)體芯片的金剛石與造鉆石和造工具可不是一種：一是純度不同，二是需要進(jìn)行摻雜。
更純的金剛石才能做半導(dǎo)體
早期的金剛石分類(lèi)主要以其譜學(xué)特征分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型雜質(zhì)含量較高，對(duì)300nm以下的紫外光不透明，且在1430~500cm^-1^范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收，Ⅱ型金剛石則純度較高，對(duì)上述波段完全透明。在Ⅰ型和Ⅱ型的基礎(chǔ)上，按氮（N）、硼（B）等雜質(zhì)種類(lèi)和數(shù)量不同，繼而分為Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb等類(lèi)型。
這種分類(lèi)較為粗略，在機(jī)械和工具還是足夠的，如Ⅰb型金剛石大單晶 （黃色，氮含量約數(shù)百ppm）多用在熱沉、切割刀具、高精度機(jī)械加工等方面，優(yōu)質(zhì)Ⅱa型金剛石大單晶 （無(wú)色，氮含量小于1ppm）主要用作高功率激光的散熱片、紅外分光用的窗口材料、金剛石對(duì)頂砧等，Ⅱb型金剛石則利用其半導(dǎo)體特性擴(kuò)展自身的應(yīng)用空間。
但這種分類(lèi)方式對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)明顯不夠精細(xì)，直到20世紀(jì)90年代出現(xiàn)光學(xué)級(jí)CVD的概念，后來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)量子級(jí)、電子級(jí)、光學(xué)級(jí)、熱學(xué)級(jí)、力學(xué)級(jí)等稱謂。這些分級(jí)主要參考位錯(cuò)密度和含氮量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，本質(zhì)上，空位和空位聚集形成的微孔洞及多晶高速生長(zhǎng)中晶界連接形成的黑色組織是影響金剛石分級(jí)的主要因素。
CVD金剛石的分類(lèi)及其缺陷要求
需要強(qiáng)調(diào)的是，金剛石分為單晶和多晶兩種。多晶金剛石一般用于熱沉、紅外和微波窗口、耐磨涂層等方面，但它不能真正發(fā)揮金剛石的優(yōu)異電學(xué)性能，這是由于其內(nèi)部存在晶界，會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率及電荷收集效率大幅度降低，使得其所制備的電子器件性能受到嚴(yán)重抑制。單晶金剛石則不會(huì)有這種顧慮，一般用于探測(cè)器（如紫外探測(cè)器、輻射探測(cè)器）和功率器件（如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、二極管）等關(guān)鍵領(lǐng)域。
舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，曾經(jīng)光伏行業(yè)一度呈現(xiàn)單晶硅和多晶硅分天下的格局，但當(dāng)單晶硅成本急劇下降后，多晶硅的成本優(yōu)勢(shì)弱化，逐漸淡出競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)向特定領(lǐng)域。金剛石半導(dǎo)體是同樣的道理，單晶性能更好但成本會(huì)較高，多晶會(huì)在成本敏感應(yīng)用領(lǐng)域具備價(jià)值，同時(shí)一些器件也只能使用單晶金剛石。
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